Mempelajari radiasi benda hitam sangat bermanfaat. Namun, di sini saya tekankan bahwa radiasi benda hitam hanya dipancarkan oleh pemancar yang “ideal” atau “sempurna”. Pada kenyataanya, hanya sedikit benda saja yang benar-benar menancarkan spektrum benda hitam. contohnya, perhatikan dua spektrum yang anda lihat pada halaman sebelumnya: matahari dan persebaran bintang biru. Ingat bahwa radiasi benda hitam adalah kontinyu (terus-menerus tanpa jeda). Jika anda melihat pada dua spektrum bintang, di sana anda melihat ada berkas hitam pada gambar spektrum matahari dan daerah yang dimana internsitasnya nol atau mendekati nol pada spektrum bintang biru. Celah pada spektrum dimana tidak ada cahaya yang dipancarkan disebut garis absorpsi. Sumber astronomi lain (dan juga sumber cahaya yang dapat anda uji di laboratorium) digunakan untuk membuat spektrum yang menunjukkan sedikit intensitas pada sebagian besar panjang gelombang namun hanya sedikit saja yang panjang gelombangnya tepat dimana banyak intensitas cahaya terlihat. Inilah yang disebut sebagai garis emisi.

Bicara tentang spektroskopi, penelitian mengungkapkan bahwa ada tiga tipe utama spektrum. Perbedaan pada spektrum dan deskripsi mengenai bagaimana terbentuknya telah terangkum dalam tiga Hukum Kirchoff tentang spektroskopi:

  1. Bila suatu benda cair atau gas bertekanan tinggi dipijarkan, akan menghasilkan cahaya dengan spektrum kontinu.
  2. Bila suatu benda gas bertekanan rendah dipijarkan, akan menghasilkan cahaya dengan spektrum emisi, berupa garis-garis terang pada panjang gelombang yang diskret (pada warna tertentu) bergantung pada tingkatan energi atom-atom yang dikandung gas tersebut.
  3. Bila spektrum kontinu dilewatkan pada suatu benda gas dingin bertekanan rendah, akan menghasilkan cahaya dengan spektrum serapan, berupa garis-garis gelap pada panjang gelombang yang diskret bergantung pada tingkatan energi atom-atom yang dikandung gas dingin tersebut.

Anda juga dapat melihat penjelasan Hukum Kirchoff dengan diagram berikut:

Gambar 3.6: Hukum Kirchoff
Gambar 3.6: Hukum Kirchoff

Seperti Hukum Kepler tentang gerak planet, Hukum Kirchoff ini juga merupakan hukum yang empiris. Artinya, mereka dirumuskan atas dasar percobaan. Dalam memahami asal-usul garis absorpsi dan emisi dan spektrum yang mengandung garis tersebut, pertama-tama kita harus belajar tentang fisik atom. Secara spesifik, kita akan mempelajari model atom Bohr.

Kapanpun anda belajar cahaya dari sebuah objek astronomi, ingat bahwa ada tiga hal yang harus anda ketahui:

  1. Pancaran cahaya dari sumbernya,
  2. Proses yang mempengaruhi cahaya selama perjalanan dari sumber ke pengamat
  3. Proses deteksi cahaya dari pengamat

Kita mengamati garis absorpsi ketika cahaya dari sumber melewati gas dingin. Bagaimana bisa gas yang menyebabkan garis absorpsi yang tampak pada apa yang sebaliknya tampak menjadi spektrum kontinyu. Jadi, apa yang sebenarnya terjadi di dalam gas?

Awan gas dibuat dari banyak atom, yang mana komponen terkecil dari sebuah unsur menahan seluruh sifat-sifat unsur. Jenis awan gas di angkasa seperti nitrogen, karbon, dan mungkin besi. Atom-atom di dalam awan gas dibuat dari inti proton bermuatan positif dan neutron, yang tidak bermuatan. Di sekitar inti ada satu atau lebih electron bermuatan negatif. Berikut adalah gambar dari atom helium:

Gambar 3.7: Atom helium dengan neutron, proton, dan elektron
Gambar 3.7: Atom helium dengan neutron, proton, dan elektron

Partikel dengan lambang n adalah neutron, p adalah proton, dan e adalah electron.

Ingin belajar lebih jauh?

Untuk lebih mengetahui tentang latar belakang dan informasi model atom, lihat a description by the folks at the Jefferson Lab

Kembali ke fisika atom dan spektroskopi, ini adalah electron yang menjadi penyebab utama adanya garis absorpsi yang kita lihat pada spektrum bintang. Bohr mengemukakan sebuah model atom sederhana yang dibutuhkan elektron untuk menempati “orbit” di sekitar pusat atom. Bagian penting dari model atom ini adalah untuk memahami bahwa elektron hanya dapat melintasi orbit tertentu, dan tidak dapat mengorbit diantaranya. Setiap orbit memiliki energi tertentu – yaitu, ketika elektron ada pada orbit tertentu, elektron tersebut memiliki jumlah energi tertentu. Sehingga, orbit juga dapat dikatakan sebagai tingkatan energi. Jika sebuah elektron menyerap persis perbedaan energi antara tingkat itu dan setiap tingkat yang lebih tinggi, hal itu dapat menyebabkan naik ke tingkatan yang lebih tinggi. Setelah elektron ada pada tingkatan yang lebih tinggi, akhirnya akan jatuh pada tingkatan yang lebih rendah (baik langsung ke tingkat 1, atau per tahap sampai kembali ke level 1), dan setiap jatuh dari satu tingkat ke satu tingkatan yang lebih rendah, dia memancarkan sebuah foton yang membawa energi dengan jumlah yang sama dengan perbedaan energi antara tingkat energi awal dan tingkat energi akhir dari elektron. Dapat dilihat di bawah ini. Pada gambar bagian atas, elektron jatuh dari tingkatan yang tinggi ke tingkatan lebih rendah dengan memancarkan foton-foton. Pada gambar bagian bawah, elektron menyerap foton-foton, menyebabkan mereka melompat dari tingkat yang tinggi dari tingkat yang lebih rendah.

Gambar 3.8: Tingkatan energi elektron pada model Bohr
Gambar 3.8: Tingkatan energi elektron pada model Bohr

Ingat bahwa energi yang dibawa sebuah foton adalah E = hν. Jadi ketika energi dari sebuah elektron pada tingkat 2 adalah E2 dan energi tingkat pertama adalah E1, kemudian perbedaan energi antara tingkat tersebut dapat ditunjukkan sebagai ΔE = E2 – E1. Jadi jika sebuah elektron ada pada E2 dan jatuh ke energi pada E1, dia akan memancarkan sebuah foton dengan frekuensi sebagai berikut:

E = hν,

jadi, ν= E/h,

pada persamaan ini E = ΔE = E2 – E1

kita berikan ν = (E2 – E1)/h

di gambar bagian atas, ada sebuah elektron jatuh dari tingkat 2 ke tingkat1 dan memancarkan foton dengan energi yang sama besarnya dengan perbedaan energi kedua tingkat. Ilmuwan yang mempelajari cahaya dari awan gas akan melihat sebuah garis emisi pada spektrum awan dengan warna kuning, satu bertuliskan “2 – 1” pada spektrum sebelah kanan.

Mari kita mengingat tentang gerakan elektron dari tingkatan energi kembali ke pengamat spektrum objek astronomi

Spektrum Absorpsi

Sebuah sumber kontinyu dari cahaya memancarkan foton dengan energi yang berbeda. Ketika foton ini melewati bagian depan awan (atau bagian dalam awan) dari gas, mereka dapat menemukan atom pada gas, yang masing-masing memiliki seperangkat elektron dengan tingkat energi tertentu. Foton yang memiliki energi yang tepat untuk mengeluarkan elektron pada sebuah atom gas hingga ke tinggkat lebih tinggi dapat diserap. Seluruh foton yang tidak memiliki jumlah energi yang cukup untuk memacu elektron, dapat melalui awan tanpa diserap. Sehingga, apa yang kita lihat setelah cahaya dari sebuah benda hitam (yaitu, sumber yang kontinyu) melewati awan gas yang sebagian besar fotonnya dalam kisaran sempit frekuensi (atau warna) tidak membuatnya, menjadi berhenti, atau  garis absorpsi, sebaliknya spektrum kontinyu dari sumber cahaya. Garis absorpsi seluruhnya berbanding lurus dengan panjang gelombang atau frekuensi yang ditentukan dari energi yang berbeda antar tingkat energi elektron pada atom yang membentuk awan. Jadi, sekali lagi mengacu pada diagram tingkatan energi di atas, ketika sebuah elektron berpindah dari tingkat 1 ke 2 menyerap foton, seoran astronom akan mengamatti sebuah garis absorpsi pada frekuensi yang sesuai dengan perbedaan tingkat energi 1-2.

Cobalah!

Pada website PhET Interactive Simulations, mereka memiliki simulasi yang memungkinkan anda untuk meneliti model atom Hidrogen.

  1. Pergi ke Hydrogen atom simulation.
  1. Klik pada tombol “Run Now!” untuk memulai simulasi
  2. Pada simulasi ini, gunakan selector pada kiri atas untuk memilih “Prediction
  3. Pilih “Bohr.”
  4. Nyalakan pada power untuk senjata elektron (klik tombol merah pada gambar) dan amati simulasinya.

Apa yang terjadi pada foton yang tidak memiliki energi yang tepat? Apa yang terjadi pada foton yang memiliki energi yang tepat ketika mereka menemukan sebuah elektron? Apa yang terjadi ketika elektron jatuh kembali ke tingkat energi yang lebih rendah?

Spektrum Emisi

Jika anda memiliki awan dengan kepadatan rendah dari gas yang menjadi hangat karena adanya proses-proses, elektron di atom pada awan gas tidak akan menjadi tingkat terendah – mereka akan ada di tingkat lebih tinggi. Jadi, karena mereka memancar sampai ke tingkat dasar, mereka akan memancarkan foton dengan frekuensinya, sehingga manimbulkan garis emisi. Cahaya dari lampu neon yang anda lihat di jendela toko mengandung kepadatan gas yang rendah, dan elektron-elektronnya tereksitasi ketika anda memberi arus pada bola lampu. Karena elektron jatuh ke tingkat dasar, mereka memacarkan garis emisi pada spektrum warna merah. Berikut adalah gambar lampu neon, dan spektrum yang terbuat ketika anda melewatkan cahaya melalui sebuah prisma:

Gambar 3.9: Cahaya lampu neon
Gambar 3.9: Cahaya lampu neon
Gambar 3.10: Spektrum lampu neon
Gambar 3.10: Spektrum lampu neon

Berikut artikel yang dapat digunakan sebagai tambahan materi “Simultaneous Display of Spectral Images and Graphs Using a Web Camera and Fiber-Optic Spectrophotometer” Niece, Brian K. J. Chem. Educ., 2006, 83, 761-764 dan dapat digunakan

Beberapa konsekuensi

Terakhir, mari kita diskusikan sedikit dampak dari kejadian di atas:

  • Tingkatan energi dari elektrin dalam atom seperti sidik jari — tidak ada dua unsur yang tingkat energinya sama, jadi atom-atom dari dua unsur tidak ada yang menciptakan pola garis absorbsi atau garis emisi yang sama. Artinya jika kita mengamati garis absorpsi yang disebabkan oleh awan gas, kita dapat menjelaskan unsur apa yang menyusun awan dari panjang gelombang atau frekuensi garis absorpsi. Data yang memuat seluruh panjang gelombang dari unsur tertentu terdapat di laboratorium.
  • Sebuah bintang akan membuat spektrum garis penyerapan karena spektrum kontinu dipancarkan oleh kerapatan, gas buram yang membuat sebagian besar bintang melewati wilayah dingin, kondisi atmosfer dari bintang itu sendiri.
  • Elektron pada awan gas yang membentuk garis absorpsi secara teratur juga jatuh pada level dasar, jadi mereka juga memancarkan foton dengan panjang gelombang yang sama seperti garis absorpsi. alasan kenapa kita masih mengamati garis absorpsi adalah karena
  • Ketika anda mengamati sebuah spektrum absorpsi pada objek astronomi, banyak awan dari gas diantara kita dan benda tersebut yang dapat menyerap cahaya. Jadi pada bintang tertentu, anda melihat garis absorpsi dari atmosfer benda, anda dapat melihat garis absorpsi yang disebabkan karena foton yang dipancarkan kembali dapat dipancarkan ke segala arah, sedangkan absorpsi hanya terjadi sepanjang garis pengamatan kita.